Ein Energiezellensystem

Der Umstieg auf eine nachhaltige Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen (EE) zählt zweifelsohne zu einer der wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit. Doch die Tragweite ist selten bewusst, denn es geht längst nicht nur um den Ersatz einer Energieträgerform, sondern um einen sehr weitreichenden Systemumbau. Die Energiewende bedeutet daher nicht nur eine Technikwende, sondern vor allem eine Kulturwende. 

Um die Gefahr eines Blackouts zu reduzieren und die Robustheit des Gesamtsystems zu erhöhen, benötigt es an einem entsprechenden Systemdesign. Hier können wir auf die Entwicklungsgeschichte in der Natur zurückgreifen, wo alles lebendige in zellularen Strukturen organisiert ist. Das hat sich in der Evolution bewährt und überlebt. Zudem wissen wir, dass sich komplexe Systeme nur mit dezentralen autonomen Einheiten stabil organisieren lassen. Daher brauchen wir für eine erfolgreiche Energiewende ein Energiezellensystem. Auch das ist nicht völlig neu, gab es doch bisher auch Balancegruppen. Diese wurden aber zunehmend mehr den Marktinteressen geopfert, sodass die technische Systemsicherheit immer mehr in den Hintergrund rückte. Die neue Erzeugungslandschaft erfordert zudem auch eine neue angepasste Struktur.

Probleme der bisherigen Energiewende

Der Fokus liegt derzeit vor allem auf dem Stromversorgungssystem, obwohl der Stromverbrauch nur etwa ein Viertel des Gesamtenergieverbrauches ausmacht. Verkehr, Industrie und Heizen sind andere große Brocken, wo die Energiewende noch nicht einmal richtig begonnen hat.

Aber auch in der Stromversorgung erfolgt nur eine sehr einseitige Betrachtung: Es geht hauptsächlich um Kohle- und Atomkraftwerke versus Windkraftwerke und PV-Anlagen. Der bisherige Erfolg verdeckt, dass die Energiewende so nicht weiter skaliert werden kann. Denn ein System ist mehr als die Summe der Einzelteile. Und Erzeugungsanlagen sind nur ein Teil des Stromversorgungssystems. Das europäische Verbundsystem wurde für einfach berechenbare und steuerbare Großkraftwerke errichtet und sehr erfolgreich betrieben. Der Umstieg auf Erneuerbare Energie-Anlagen (EE) führt jedoch dazu, dass nun statt ein paar Tausend Großkraftwerke plötzlich Millionen Kleinkraftwerke notwendig sind. Diese haben noch dazu eine völlig andere Erzeugungscharakteristik. Während bei fossilen Energieträgern die Energie in der Ausgangssubstanzen (Kohle, Gas, Öl, Uran = Primärenergie) gespeichert ist, fehlt diese Bevorratung bei Wind und Sonne. Zudem verhalten sich diese äußerst volatil, das heißt, sie stehen nicht immer und dann auch nur mit einer sehr unterschiedlichen Intensität zur Verfügung. Hinzu kommen zeitweise auch ganz erhebliche Abweichungen von den Prognosen, was immer aufwändigere Maßnahmen erfordert, um die Systemstabilität zu gewährleisten.

Speichersysteme
Strom aus EE 04-20

Auch wenn im April 2020 neue Spitzenwerte an EE/PV-Stromproduktion zu verzeichnen waren, zeigt die ganze Betrachtung doch auch erhebliche Lücken. Daher sind Durchschnittswerte wenig hilfreich. Denn die Balance zwischen Erzeugung und Verbrauch muss in jedem Augenblick ausgeglichen sein. Ansonst kollabiert das System! Siehe auch das europäische Stromversorgungssystem.

Wie sich daraus auch ableiten lässt, braucht es nicht nur neue Erzeugungsanlagen, sondern auch umfangreiche Backup-Systeme, als Energiespeicher/-puffer. Und zwar über mehrere Zeiteinheiten, von immanent bis saisonal. Die Erzeugungsanlagen stehen zudem häufig nicht dort, wo die bisherigen Großkraftwerke standen bzw. wo die Verbraucher sind. Daher sind auch neue Leitungsstrukturen erforderlich. Und zwar nicht nur, wie häufig kolportiert wird, auf der Höchstspannungsebene, sondern auch auf unterster Ebene in den Verteilnetzen.

Damit werden nur ansatzweise die enormen Herausforderungen der Energiewende klar. Doch bisher konzentrieren sich die meisten Bemühungen hauptsächlich auf den Ausbau der Erzeugungsanlagen, was deutlich zu kurz greift. Das hat im bisherigen Großsystem auch gut funktioniert. Jedoch stehen wir vor einem Kipppunkt. Es reicht eben nicht, nur ein Systemelement auszutauschen. Es muss ein ganzheitlicher Systemumbau erfolgen. Was bisher nur ansatzweise passiert. Zudem muss dieser im laufenden Betrieb passieren, ohne dabei das Gesamtsystem zu gefährden. Das kann nur durch dezentrale, autonome Einheiten gelingen, die „bottom-up“ zur Robustheit beitragen.

Wie funktioniert das?

Diese Fragestellung wird hier gemeinsam mit Franz Hein bearbeitet, bzw. hat er dazu bereits wesentliche Vorarbeiten geleistet. Zusätzlich werden auch andere Blickwinkel, die in die selbe Kerbe schlagen, eingebracht.

Als Ausgangsbasis dienen folgende Analysen und systemische Betrachtungen:

Das Detailkonzept

Buchbeiträge von Franz Hein

Und was ist mit den Smart Grids?

smartgrid

Smart Grids – „intelligente Stromnetze“ – sind in aller Munde, wird doch erwartet, dass damit die zunehmenden Herausforderungen durch die fluktuierende Stromproduktion in den Griff bekommen werden kann. So manche Hochglanzproschüre verspricht, alle Probleme durch eine umfangreiche IT-Vernetzung zu lösen. Wie dabei gleichzeitig die zunehmenden Problem in der IT-Sicherheit gelöst werden, wird nicht verraten. Eine Symbiose zwischen der bisherigen Strom- mit der relativ jungen IT-Welt erscheint auch aus unserer Sicht unverzichtbar. Beim Weg dahin gibt es aber noch große Differenzen, denkt die heutige IT- und Stromwelt doch vorwiegend an eine zentralisierte Vernetzung und Steuerung, was ein absolutes No-Go darstellt, da damit die Systemsicherheit nicht gewährleistet werden kann. Siehe auch Making the power grid safer by planning for failure.

Das Smart Grid im Zeitalter von Cyberwar

Tomi Engel von der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie hat dazu einen hervorragenden Vortrag gehalten, der genau diese Problemstellungen aber auch Lösungsansätze beschreibt, wie sie auch wir hier verfolgen. Er liefert daher einen zusätzlichen Blick auf das Energiezellenmodell. Der Vortrag steht als PDF zur Verfügung. 

Das Smart Grid im Zeitalter des Cyberwar from shack e.V. Hackerspace Stuttgart on Vimeo.

kommunikation

Folgende weitere Artikel von ihm beschäftigen sich mit dem Thema Energiezellensystem/dezentrales Stromnetz:

Daher sollte es auch beim Smart Grid nicht um eine zentralisierte IT-Vernetzung, sondern um ein robustes, dezentralisiertes Stromversorgungssystem = Energiezellensystem gehen. Die IT wird dabei eine wichtige Rolle spielen, aber sie darf nicht das Stromnetz von der IT-Versorgung abhängig machen. Die Stromversorgung muss auch ohne den Optimierungsmöglichkeiten der IT funktionieren und zumindest eine Rückfallebene ohne IT sicherstellen können. Alles andere wäre blauäugig und gefährlich, wie jüngste Ereignisse zeigen (siehe etwa First known hacker-caused power outage signals troubling escalation).

Energie ist nicht nur Strom!

Häufig wird zwar von einer Energiewende gesprochen. Bei näherer Betrachtung geht es jedoch meistens nur um die Stromwende, was viel zu kurz greift. Denn wir haben beim Verkehr und bei der Wärme- und Kälteversorgung einen noch viel höheren Energieverbrauch, als im Stromsektor. Daher ist es zwingend notwendig, alle Bereiche zu betrachten. Das hier energetisch einiges an Potenzial vorhanden ist, zeigt etwa das Beispiel von Großsolaranlagen, wo mit Hilfe von Sonnenenergie Warmwasser und damit Wärme erzeugt wird. Natürlich ist das nach unseren heutigen Maßstäben nicht so (kosten)effizient, da eine zusätzliche Erzeugungsquelle erforderlich ist, um die Wärme auch dann aufbringen zu können, wenn keine Sonne scheint. Aber durch die sinnvolle Nutzung von Synergiepotentialen kann die Umweltbelastung deutlich gesenkt werden. Würde man nicht nur die reinen Energiekosten, sondern auch absehbare Schadens- und versteckte Nebenkosten einrechen, würden die Dinge oft anders aussehen. Aber da haben wir leider noch blinde Flecken. Daher ist die Energiewende nicht nur eine Technik- sondern vor allem Kulturwende. Wir müssen das aber erst akzeptieren lernen. 

Energieverbrauch Haushalte Deutschland
Solarwärme im städtischen Netz